Powerbank 12V/5V 9Ah/22Ah de 10A para uso al aire libre

De WikiLab EBdJ
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Vista de la batería abierta.

Esta POWERBANK que he diseñado está pensada para dispensar energía durante varios días seguidos, en condiciones de desconexión de la red eléctrica. Es capaz de recargar dispositivos USB, y al mismo tiempo provee una toma de 12V y hasta 10A amperios para conectar lo que el usuario necesite.

Advertencia:

  • No use este dispositivo en lugares donde exista un alto riesgo de incendio, ni tampoco exponga esta batería a entornos que pudieran inflamarla. Las llamas producidas por la combustión del litio son casi imposibles de sofocar.
  • Mantener fuera del alcance de los niños.
  • Mantenga la batería en todo momento alejada de agua o cualquier líquido que pudiera derramarse sobre ella.
  • No permita que la batería opere con el interior accesible cuando haya personas que no estén cualificadas para hacerlo, ya que podrían manipular el cableado de potencia, ocasionando quemaduras, incendios y explosiones.
  • Al final de la vida útil de la batería entreguela a un punto de reciclaje para este tipo de resiudos, al menos hágalo con las celdas internas.



Características incluidas en el dispositivo

  • Dos puertos de carga USB, de 5V y un máximo de 3A cada uno.
  • Una conexión de dos bananas a 12V (positivo y negativo), para disponer de una fuente de alta potencia (hasta 100W) a través de estas.
  • Jack DC trasero para recargar el dispositivo, mediante un cargador de 12.6V.
  • Monitor de carga LCD de 5 niveles.
  • Voltímetro de salida.
  • Amperímetro de corriente total.
  • Monitor de impedancia de carga conectada.
  • Pulsador único para operar el display y encender la retroiluminación de este.
  • Interruptor general.
  • Dos interruptores para desconectar los puertos USB (máxima eficiencia posible).

Características técnicas del banco de baterías (interno)

  • 9 celdas a 3.7V 18650 de 3.000mAh ( 27Ah en total) en configuración 3s3p. Formando 3 ramas en paralelo de 3 celdas en serie.
Esquema de conexionado, de baterías en modo 3s3p, 3 ramas paralelas de 3 celdas cada rama. Esta configuración proporciona un valor de tensión nominal de: 3.7v + 3.7v + 3.7v = 11.1V
  • Voltaje de corte mínimo: 8.7V
  • Voltaje de corte máximo: 12.7V
  • Voltaje nominal del banco: 11.1V
  • Corriente de descarga continua máxima: 10A
  • Potencia máxima: 100W
  • Protección contra cortocircuito (electrónica y fusible).
  • Capacidad: 100Wh
  • Tiempo de recarga normal (1A): aprox. 11h
  • Tiempo de recarga rápida (3A): aprox. 4h

Carcasa

La carcasa está diseñada en Solidworks, e impresa en PLA amarillo, con una impresora 3D.

En cuanto pueda incluiré los planos, y los archivos *.STL a través del portal thingiverse. De forma que cualquier persona pueda fabricar la carcasa en su propia máquina de impresión 3D.

Módulos de carga USB

Se incluyen dos puertos de carga USB de 5V y 3A cada uno, destinados a recargar o alimentar dispositivos USB.

La corriente de los conversores se puede monitorear en el amperímetro, pero es importante destacar que, el amperímetro muestra el valor de corriente correspondiente a la tensión de 12V, es decir, la corriente que se drena de la batería principal. Esta corriente es más alta en las salidas USB, debido al fenómeno de conversión de voltaje.

Interruptores frontales

Los interruptores frontales sirven para activar o desactivar el suministro de 12V que llega a los transformadores DC-DC de 5V, son dos interruptores tipo pulsador con enclavamiento (push on, push off) de 12mm de encastre y un diámetro exterior del borde de 14mm, tiene unos 30mm de profundidad, y se pueden encontrar facilmente a través de distribuidores de componentes electrónicos chinos. Se adjunta enlace al pie del artículo.

Conversores DC-DC a 5V

He incluido un par de transformadores DC-DC tipo step-down converter, basados en el integrado LM2596 que son capaces de adecuar la tensión de salida de los puertos USB a 5V, proporcionando hasta 3A de corriente en cada puerto, de manera individual. Este modelo de conversores se puede adquirir en cualquier proveedor de componentes para proyectos de electrónica.

El rendimiento práctico de los módulos es impresionante, la importancia de elegir unos buenos módulos DC-DC es clave si vamos a utilizar con frecuencia la carga por USB, ya que haremos un uso más eficiente de la capacidad disponible, el recurso más reñido en un banco de carga.

La referencia es: KIS3R33S

Características técnicas

  • Tipo: Tanque no aislado.
  • Protección de sobrecorriente.
  • Rectificación asíncrona.
  • Sin protección contra inversión de polaridad (el módulo se quema si se conecta del revés).
  • Rango de entrada: DC 7- 24V
  • Voltaje de salida: DC 5V
  • Corriente: 3A (max)
  • Eficiencia de conversión: 96% (MAX)
  • Frecuencia de conmutación: 340KHz
  • Rizado: 30mV (max)
  • Regulación de carga: ± 0.5%
  • Regulación de voltaje: ± 2.5%
  • Temperatura de trabajo: -40 ℃ a +85 ℃
  • Tamaño: 6.2 x 2.1 x 1 cm

Salida 12V

Consiste en un par de conectores tipo banana hembra, que se pueden encontrar en cualquier tienda de electrónica. Cuando la batería está descargada la salida de 12V baja hasta 9V y cuando está cargada sube hasta 12.6V. Este fenómeno conocido como curva de voltaje y carga de la batería de litio, sólo se puede evitar con un caro y poco eficiente circuito llamando convertidor DC-DC de subida y bajada, un circuito que baja la tensión a 12V cuando está por encima, y lo eleva a 12 cuando está por debajo. Mi diseño no incluye este tipo de tecnología, es cara y menos eficiente.

No obstante para un determinado uso se podría usar algún tipo de conversor DC-DC externo, sólo hay que conectarlo entre la powerbank y el dispositivo que vaya a usar tensión estabilizada.

Monitor de Carga

El monitor de carga, es un amperímetro y voltímetro, configurable, diseñado para visualizar el nivel de carga de las baterías de un proyecto determinado. Dispone de 4 conexiones, tipo clema, en las dos exteriores se conecta la batería y en las dos centrales la salida, donde conectaremos nuestra carga, en nuestro caso a esa salida conectamos la salida de nuestra powerbank y los módulos USB, para registra el consumo.


Se puede conseguir en línea, a través de un distribuidor de componentes electrónico. Su referencia es la siguiente: PZEM-005

Módulo PZEM-005 conectado a una batería de litio, pero sin ninguna carga conectada, por lo que muestra la lectura de voltaje, y no detecta corriente.

Función voltímetro

Está basado en un ADC (Analog to Digital Converter) que digitaliza el valor de la tensión y lo muestra en el display. Este valor sirve para procesar el nivel de carga y la impedancia del dispositivo conectado.

Función amperímetro

Internamente, es capaz de censar la corriente que pasa por su interior. Mide de 0 a 10A con las siguientes peculiaridades:

La resolución es de 0.1 A en toda la escala, ya que como se puede ver en la plantilla del display, la coma es fija. El fabricante asegura que mide de 0 a 10A, en ningún momento hemos intentado ver que pasa si le metemos más de 10A.

Impedancia de carga

No es más que una función óhmetro, y nos ofrece únicamente el valor real de la impedancia, o sea la resistencia a secas.

La impedancia de carga que nos muestra es un dato indirecto, lo consigue a través de la ley de ohm, ya que al medir la corriente que pasa por el amperimetro interno del monitor y conocer el voltaje en cada momento con el voltímetro, aplica la relación R = V·I.

Esta función es simplemente un error de diseño, ya que no resulta en ningún momento práctico. Cuando un usuario enchufe cosas a su Powerbank más que la impedancia de los dispositivos, nos gustaría ver la potencia que se está consumiendo.

Nivel de carga actual

Pantalla y retroiluminación

La pantalla es un display convencional de tipo LCD, con retroiluminación. La retroiluminación no está disponible de forma predeterminada, para acceder a ella es necesario soldar un pulsador a fin de encenderla y apagarla. Podríamos encenderla metiendo un palillo por detrás, pero esto no es funcional, además, se apaga al quitarle la corriente, o no se puede apagar sin volver a pulsar.

Esquema de segmentos del display.

Por ello simplemente se quita la tapadera, se busca el pulsador SMD y se sustituye o se le añaden dos cables para ponerlo por fuera, donde sea necesario. En nuestro caso está situado al lado de la salida de 12V.

El pulsador de la retroiluminación es el mismo pulsador que se utiliza para configurar los voltajes, a la hora de elgir una batería determinada en nuestro proyecto.

Puerto de recarga trasero

Medidas de seguridad

Fusible de 15A (salida de potencia)

Es un fusible que protege el conjunto completo, es decir, toda la corriente que sale del bloque de litio, pasa por este fusible. Si ocurre un problema en la salida de 12V, o en las tarjetas de carga USB este fusible deberá ser reemplazado tras comprobar minuciosamente de donde ha surgido el problema de sobrecarga. Este fusible no salta aunque la salida USB de 5V se ponga en corto, ya que el módulo dispone de su propia protección contra sobrecorrientes.

Este fusible no se puede obviar, si realizas este proyecto, no me hago responsable del mal uso de los mecanismos de seguridad que se han implementado, con intención de evitar daños materiales o personales.

Fusible de 5A (puerto de carga)

El puerto de carga está protegido por un fusible de 5A. Este fusible proteje tanto al cargador de ser dañado por un mal funcionamiento de la batería, como de que la batería pueda ser dañada por un cargador defectuoso, por lo tanto este fusible nunca debe ni puede ser omitido, porque ocasionaría un riesgo importante de incendio.

Sección mínima de los cables

Para evitar sobrecalentamiento, y destrucción del dispositivo se requiere el uso de las secciones mínimas, según la potencia máxima para la que se vaya a realizar este diseño.

Certificación de los componentes

La controladora de carga de la batería soporta picos de 30A y descargas continuas de hasta 25A sin riesgo alguno. El interruptor general soporta hasta 20A El amperímetro soporta sólo 10A (por lo que el diseño queda restringido en potencia por este).

Enlaces externos

Referencias

  • Vacio

Propiedad intelectual

Este diseño es propiedad íntegra de José Luis Sanz, al igual que los componentes utilizados tienen los derechos de sus respectivos fabricantes, cualquier uso comercial de este diseño está prohibido. Se permite la reproducción y modificación del mismo con atribución y sólo para uso educativo.

Se ruega no alterar partes del diseño críticas, como las medidas de seguridad, así como la sección de los cables.